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Die elektrische Leistung beschreibt die pro Zeitspanne umgesetzte Energie, während Magnetfelder durch bewegte Ladungen entstehen und über die Lorentzkraft Kräfte ausüben, ohne dabei Arbeit zu verrichten. Magnetische Feldlinien sind stets geschlossen.
Die Elektrische Leistung (P) gibt an, wie viel elektrische Arbeit pro Zeit verrichtet wird. Sie berechnet sich aus dem Produkt von Spannung (U) und Stromstärke (I): P = U × I. Die Einheit ist das Watt (W). Man kann sie sich wie die Stärke eines Wasserfalls vorstellen: Die Spannung entspricht der Fallhöhe, die Stromstärke der Wassermenge pro Sekunde.
Die Elektrische Arbeit (W) ist die über einen Zeitraum (t) umgesetzte Energie: W = P × t = U × I × t. Die Einheit ist das Joule (J) oder die Wattsekunde (Ws). In der Medizin ist dies relevant, um beispielsweise die Energieabgabe eines Defibrillators zu verstehen.
Ein Magnetfeld ist ein Raumzustand, in dem auf magnetische Körper oder bewegte Ladungen Kräfte ausgeübt werden. Die Stärke wird durch die magnetische Flussdichte (B) in der Einheit Tesla (T) beschrieben. Feldlinien verlaufen außerhalb eines Magneten immer vom Nordpol zum Südpol. Tatsächlich sind magnetische Feldlinien stets geschlossene Schleifen: Im Inneren des Magneten verlaufen sie vom Südpol zurück zum Nordpol. Es gibt keine isolierten magnetischen Monopole; zerbricht man einen Stabmagneten, erhält man zwei kleinere Magnete mit jeweils eigenem Nord- und Südpol.
Die Ursache jedes Magnetismus sind bewegte Ladungen. Ein stromdurchflossener Leiter erzeugt konzentrische Magnetfeldlinien um sich herum. Dieses Prinzip des Elektromagnetismus ist die Grundlage für MRT-Geräte (Magnetresonanztomographie).
Die Orientierung des Magnetfeldes um einen geraden Leiter bestimmt die Rechte-Hand-Regel: Zeigt der Daumen der rechten Hand in die technische Stromrichtung (von Plus nach Minus), so geben die gekrümmten Finger die Richtung der Magnetfeldlinien an. In einer Spule – einem zylindrisch gewickelten Leiter mit vielen Windungen – addieren sich die Magnetfelder der Einzelleiter; dadurch entsteht im Inneren ein starkes, annähernd homogenes Feld. Ein Eisenkern kann dieses Feld zusätzlich bündeln und verstärken.
Permanentmagnete beziehen ihr Magnetfeld aus dem Spin der Elektronen. Der Spin verhält sich wie ein winziger Kreisstrom und erzeugt ein atomares magnetisches Moment. Normalerweise sind diese Momente ungeordnet; in ferromagnetischen Materialien wie Eisen oder Nickel können sie jedoch durch ein äußeres Feld parallel ausgerichtet werden, sodass sich die Felder zu einem makroskopischen Magnetfeld addieren. Deshalb verstärkt ein Eisenkern das Feld einer Spule.
Die Lorentzkraft (F_L) ist die Kraft, die ein Magnetfeld auf eine Ladung (q) ausübt, die sich mit der Geschwindigkeit (v) durch das Feld bewegt. Die Formel lautet F_L = q × v × B, sofern die Bewegung senkrecht zu den Feldlinien erfolgt.
Die Richtung der Lorentzkraft lässt sich mit der Drei-Finger-Regel der rechten Hand bestimmen (für positive Ladungen): Der Daumen zeigt in die Bewegungsrichtung (v), der Zeigefinger in die Magnetfeldrichtung (B) und der Mittelfinger gibt die Kraftrichtung (F_L) an.
Wichtig für den MedAT: Die Lorentzkraft wirkt immer senkrecht zur Bewegungsrichtung und senkrecht zu den Feldlinien. Bewegen sich Ladungen parallel zu den Feldlinien, ist die Lorentzkraft Null. Dies führt dazu, dass Teilchen in Magnetfeldern oft auf Kreisbahnen gezwungen werden. Daher kann ein Magnetfeld keine Arbeit verrichten – es ändert nur die Richtung, nicht den Betrag der Geschwindigkeit. Eine Beschleunigung von Körpern erfolgt indirekt: Ändert sich das Magnetfeld (z. B. beim Einschalten), induziert es ein elektrisches Feld, das dann Arbeit leisten kann.
